瑪納斯河流域中下游平原地區(qū)水化學(xué)特征及其影響因素

夏 夢(mèng), 馬 龍, 吉力力·阿不都外力

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046;2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011)

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瑪納斯河流域中下游平原地區(qū)水化學(xué)特征及其影響因素

夏 夢(mèng)1, 馬 龍2, 吉力力·阿不都外力2

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046;2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所 荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011)

通過Piper三線圖示法、系統(tǒng)聚類等方法對(duì)瑪納斯河中下游28個(gè)地表水樣品離子化學(xué)成分進(jìn)行了分析，研究了瑪納斯河流域沖積平原的水化學(xué)分布特征及影響因素。結(jié)果表明：1) 研究區(qū)水體樣品pH值差異較小，但礦化度和各離子組成的差別明顯，從淡水到高鹽礦化度水均有分布。陽離子濃度Na+>Ca2+>Mg2+>K+；陰離子濃度SO42->Cl->HCO3-。水樣中K+和HCO3-的變異系數(shù)相對(duì)較小，Cl-和Na+變異系數(shù)最大。2) 瑪納斯河流域沖積平原地區(qū)水化學(xué)類型主要有Ca2+-HCO3-，Na+-SO42-，Ca2+-SO42-，Na+-Cl-四種。其中Ca2+-HCO3-型占總水樣的78.6%，其中僅有3個(gè)樣品為Na+-SO42-型，2個(gè)樣品為Ca2+-SO42-型，1個(gè)樣品為Na+-Cl-型。聚類分析的結(jié)果表明瑪納斯河流域地表水化學(xué)特征表現(xiàn)出較為明顯的空間分異性?？傮w來看，瑪納斯流域地表水中部分水樣的水化學(xué)類型改變，主要是由于水體蒸發(fā)強(qiáng)度的差異以及瑪納斯河流域土壤中鹽分離子被淋洗，增加了水體中的鹽分離子含量從而導(dǎo)致水化學(xué)類型呈現(xiàn)出差異性。

水文學(xué); 水化學(xué)特征; 影響因素; 聚類分析; 瑪納斯河

瑪納斯河流域是新疆開墾最大最早的人工綠洲。近年來，由于瑪納斯河流域人口劇增，加之水土資源的不合理開發(fā)利用，流域內(nèi)出現(xiàn)了水質(zhì)惡化，土地鹽堿化等一系列環(huán)境問題，嚴(yán)重影響了流域生態(tài)與環(huán)境的保護(hù)，直接關(guān)系到流域的可持續(xù)發(fā)展。目前對(duì)瑪納斯河流域環(huán)境的研究，集中于對(duì)流域的氣候變化[1-3]，水系的變遷[4]、水資源利用[5-8]、土地利用及覆被變化[9-10]，以及土壤鹽堿地類型[11]、土壤鹽分[12]、養(yǎng)分的空間分布格局及影響因素[13]等方面。而水分作為流域地球化學(xué)循環(huán)的紐帶，在大氣圈、巖石圈、土壤圈的物質(zhì)、能量、信息的交換過程中扮演著重要的角色。水體與周圍環(huán)境相互作用的結(jié)果導(dǎo)致水化學(xué)特征發(fā)生一系列的變化[14]，水化學(xué)特征因此被認(rèn)為是良好的“示蹤劑”，記錄著水體的形成、轉(zhuǎn)化和運(yùn)移[15]。研究流域水化學(xué)特征的分布和差異不僅對(duì)揭示區(qū)域水巖相互作用的歷史，而且對(duì)評(píng)價(jià)當(dāng)前水化學(xué)狀態(tài)，合理利用和保護(hù)水資源都具有重要的意義。本文以瑪納斯河流域中下游平原地區(qū)水體為研究對(duì)象，運(yùn)用水化學(xué)分析方法，系統(tǒng)分析流域內(nèi)水化學(xué)特征及其影響因素，以其為瑪納斯河流域水資源的開發(fā)利用提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域地處天山北麓中段準(zhǔn)噶爾盆地南緣，是北疆重要的糧棉基地，流域面積3.35萬km2[16]。自東向西包括塔西河、瑪納斯河、寧家河、金溝河和巴音溝河等5條主要河流,其中瑪納斯河水量最大、流程最長(zhǎng)，全長(zhǎng)400 km，年平均徑流量12.8億m3，主要依靠冰川融水和地下潛流補(bǔ)給。行政區(qū)劃上包括瑪納斯縣、沙灣縣、石河子墾區(qū)以及克拉瑪依部分地區(qū)[9]。流域內(nèi)地貌類型多樣，地勢(shì)由東南向西北傾斜，依次為沖積洪積扇、沖積平原和干三角洲。流域?qū)俚湫偷拇箨懶愿珊禋夂?，年平均氣?.6℃；降水量由南向北逐漸遞減，靠近沙漠邊緣降水量?jī)H117 mm；流域蒸發(fā)量隨海拔的降低而增加，越靠近沙漠邊緣蒸發(fā)量越大[17]。

2 研究方法

2012年9月在瑪納斯河流域沖積平原地帶采集水樣28個(gè)，各采樣點(diǎn)地理信息見表1。分別對(duì)pH，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，SO42-，HCO3-，CO32-，Cl-和礦化度(TDS)等主要離子和化學(xué)成分進(jìn)行分析。pH值用PHS-2C型酸度計(jì)測(cè)定；Mg2+和Ca2+用EDTA絡(luò)合滴定法測(cè)定；Na+和K+用6410火焰光度計(jì)測(cè)定；HCO3-和CO32-用雙指示劑中和法測(cè)定；SO42-用EDTA間接滴定法測(cè)定；Cl-用AgNO3滴定法測(cè)定。測(cè)定的具體方法參照參考文獻(xiàn)[18]。樣品的分析測(cè)試工作在中國(guó)科學(xué)院生態(tài)與地理研究所分析測(cè)試中心完成。對(duì)水樣水化學(xué)類型分布特征采用水文水化學(xué)分析軟件AquaChem V.4.0繪制Piper三線圖進(jìn)行概括性的總體分析。Piper三線圖是Piper[19]在1944年提出的，由兩個(gè)等邊三角形和一個(gè)等邊平行四邊形組成，左邊等邊三角形表示陽離子當(dāng)量濃度百分含量，右邊等邊三角形表示陰離子當(dāng)量濃度百分含量。在水化學(xué)類型總體分布的基礎(chǔ)上，采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行聚類分析，更細(xì)致的探討相同水化學(xué)類型不同樣品間的離子組合特征差異性。聚類方法采用組內(nèi)聯(lián)接法，以Pearson相關(guān)性作為度量標(biāo)準(zhǔn)。由于數(shù)據(jù)的量綱相同，數(shù)量級(jí)相差不大，所以未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。聚類分析法使離子組合特征相近的水樣聚為一類，因此更好地展示了水樣水化學(xué)的分布特征。

表1 采樣點(diǎn)地理信息

注：全部水樣中除了Z07，Z08，Z09，Z10，Z11，Z19為位于下游的水樣外，其余均為位于中游的水樣。

3 結(jié)果與分析

3.1 主要水化學(xué)特征

研究區(qū)水樣的水化學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征見表2。研究區(qū)水樣pH值為7.19～7.92，平均值為7.66。礦化度為0.19～11.63 g/L，平均值為1.09 g/L。研究區(qū)水體樣品pH值差異較小，但礦化度差別明顯，從淡水到高鹽礦化度水均有分布。各樣品間離子濃度差異較大，陽離子Ca2+，Mg2+，Na+、K+質(zhì)量濃度分別介于0.03～0.44 g/L，0.004～0.42 g/L，0.006～2.97 g/L和0.003～0.02 g/L，平均濃度分別為0.07，0.04，0.22，0.005 g/L；水體陰離子HCO3-，Cl-，SO42-質(zhì)量濃度分別介于0.09～0.41 g/L，0.007～3.11 g/L和0.02～4.57 g/L，平均濃度為0.14，0.24和0.34 g/L。陽離子濃度Na+>Ca2+>Mg2+>K+；陰離子濃度SO42->Cl->HCO3-。各離子變異系數(shù)[20]差異較大。水體中K+和HCO3-的濃度變異系數(shù)相對(duì)較小，反映它們?cè)谒泻肯鄬?duì)穩(wěn)定。Cl-、Na+、Mg2+、SO42-和Ca2+的濃度變異系數(shù)相對(duì)較大，其中Cl-和Na+分別為陰離子和陽離子中變異系數(shù)最大的離子，表明其在水中含量離散程度較大。

表2 各水樣水化學(xué)指標(biāo)值及統(tǒng)計(jì)特征

3.2 水化學(xué)離子組合特征及其影響因素

Piper三線圖用于分析水體的水化學(xué)類型及水化學(xué)成分的演化規(guī)律具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)[21]。故本文采用Piper三線圖對(duì)研究區(qū)水樣進(jìn)行水化學(xué)類型分析(圖1)。研究區(qū)水化學(xué)類型主要有Ca2+-HCO3-，Na+-SO42-，Ca2+-SO42-，Na+-Cl-四種類型。大部分樣品都屬于Ca2+-HCO3-型，占總水樣的78.6%；3個(gè)樣品(Z04，Z07，Z13)屬于Na+-SO42-型，占總水樣的10.7%；2個(gè)樣品(Z20，Z05)屬于Ca2+-SO42-型，占總水樣的7.1%；1個(gè)樣品(Z19)屬于Na+-Cl-型，占總水樣的3.6%?？傮w看來，研究區(qū)大部分水體樣品的水化學(xué)類型呈集中趨勢(shì)，屬于Ca2+-HCO3-型，少數(shù)樣品可能由于受到多種因素影響水化學(xué)類型產(chǎn)生差異。

圖1 研究區(qū)水化學(xué)類型Piper圖

為了進(jìn)一步探討本研究區(qū)水體樣品中離子濃度組合特征差異，將28個(gè)樣品的7種離子作為變量進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析[22](圖2)。聚類分析的結(jié)果與Piper圖分類結(jié)果一致，在Piper圖中為Ca2+-HCO3-型的水樣具有相同的離子組合特征，但是聚類分析更能直觀的反映瑪納斯河流域水體中離子濃度更細(xì)微的差異。屬于Ca2+-HCO3-型的水樣中，位于瑪納斯河流域中游的大部分水樣(簇C1)具有不同于下游水樣(Z08，Z09，Z10，Z11)的水化學(xué)組合特征。將大多數(shù)位于中游的水樣(簇C1)和位于下游的水樣(Z08，Z09，Z10，Z11)7種離子濃度平均含量進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)(表3)，相對(duì)于簇C1而言，位于下游的水樣各個(gè)離子平均質(zhì)量濃度都有所增加，其中Cl-和Na+的平均質(zhì)量濃度相對(duì)增加較高，增加量均高于簇C1中相對(duì)應(yīng)的離子平均質(zhì)量濃度400%和300%，而其余離子的平均質(zhì)量濃度相對(duì)增加較少。表明了水體從中游到下游Cl-和Na+的質(zhì)量濃度有增高的趨勢(shì)，這一結(jié)果顯示由于水體蒸發(fā)等因素造成水化學(xué)組成的空間分異性。另外，從聚類圖中也可以看到，位于中游的水樣瑪納斯河水Z18和中部水庫(kù)水Z21具有與下游水樣(Z08，Z09，Z10，Z11)相同的離子組合特征(簇C2)，表明了Z18和Z21中的Cl-和Na+質(zhì)量濃度較其它中游樣品(簇C1)高，反映了可能受到中部種植灌溉洗鹽水的影響較大。

圖2 瑪納斯河流域地表水化學(xué)組成系統(tǒng)聚類樹狀圖

在Piper圖中水化學(xué)類型不同于Ca2+-HCO3-型的六個(gè)水樣(Z04，Z07，Z13，Z20，Z05，Z19)，在系統(tǒng)聚類圖中也體現(xiàn)出了不同于其它瑪納斯河流域地表水樣品的顯著差異。其中，下游水渠水Z07和146團(tuán)大橋渠水Z19的離子組合特征差異性最大(簇A)，明顯不同于其余所有樣品。而Z04，Z13，Z20，Z05的離子組合特征也表現(xiàn)出了較Ca2+-HCO3-型水樣(簇C)的顯著不同?，F(xiàn)將六個(gè)水樣(Z04，Z07，Z13，Z20，Z05，Z19)與Ca2+-HCO3-型水樣(簇C)的離子組合特征進(jìn)行對(duì)比，并且將六個(gè)水樣中屬于中游的水樣(Z04，Z13，Z20，Z05)和屬于下游的水樣(Z07，Z19)的離子組合特征進(jìn)行對(duì)比(表3)。由表3可知，簇C中的HCO3-和Ca2+為陰離子和陽離子中質(zhì)量濃度最大的離子，分別占離子總量的47.2%和11.8%。相比于簇C，六個(gè)水樣(Z04，Z07，Z13，Z20，Z05，Z19)的各個(gè)離子平均質(zhì)量濃度均有增加，其中Cl-，SO42-，Mg2+，Na+離子濃度相對(duì)增加較大，分別高出簇C相對(duì)應(yīng)離子含量5 200%，2 760%，1 300%，4 750%。表明了相對(duì)于Ca2+-HCO3-型水樣(簇C)這六個(gè)水樣(Z04，Z07，Z13，Z20，Z05，Z19)的鹽分離子含量顯著增加。同時(shí)，將六個(gè)水樣中屬于中游的水樣(Z04，Z13，Z20，Z05)和屬于下游的水樣(Z07，Z19)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，下游的水樣各個(gè)離子質(zhì)量濃度平均值均高于中游的水樣，Cl-，SO42-，Mg2+，Na+離子濃度相對(duì)增加較大，其中Cl-和Na+分別為陰離子和陽離子中質(zhì)量濃度增加最大的離子，分別高出中游的水樣相對(duì)應(yīng)離子質(zhì)量濃度2 138.5%和1 778.6%。表明了鹽分離子在下游地區(qū)大量聚積的現(xiàn)象?？偟膩碚f，造成這六個(gè)水樣(Z04，Z07，Z13，Z20，Z05，Z19)與其余水樣之間，以及這六個(gè)水樣中屬于中游水樣和屬于下游水樣之間的離子組合特征差異的原因，主要是由于瑪納斯河流域，常年受種植、灌溉等的影響，土壤中的一部分鹽分被淋洗掉，而淋洗掉的鹽分部分通過排水系統(tǒng)進(jìn)入水體中，帶走了土壤中的部分可溶性離子，隨洗鹽水進(jìn)入地表水體中，致使水化學(xué)組分產(chǎn)生差異。另外，瑪納斯河流域中下游地區(qū)的蒸發(fā)差異也是造成部分水樣水化學(xué)組分差異性的原因。

表3 各樣品組合離子含量特征 g/L

注：C1代表Ca2+-HCO3-型水樣中屬于中游的水樣，亦即簇C1；C2代表Ca2+-HCO3-型水樣中屬于下游的水樣(Z08，Z09，Z10，Z11)；C代表Ca2+-HCO3-型水樣，亦即簇C；M代表六個(gè)水樣(Z04，Z07，Z13，Z20，Z05，Z19)；M1代表(Z04，Z13，Z20，Z05)；M2代表(Z07，Z19)

4 結(jié) 論

通過對(duì)瑪納斯河流域中下游平原地區(qū)的水化學(xué)特征分析得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1) 研究區(qū)水樣礦化度變化范圍在0.19～11.63 g/L之間，平均值為1.09 g/L。陽離子濃度Na+>Ca2+>Mg2+>K+；陰離子濃度SO42->Cl->HCO3-。水樣中K+和HCO3-的變異系數(shù)相對(duì)較小，反映它們?cè)谒泻肯鄬?duì)穩(wěn)定。Cl-和Na+分別為水體陰離子和陽離子中變異系數(shù)最大的離子，表明其在水中含量離散程度較大。

2) 瑪納斯河流域中下游平原地區(qū)水化學(xué)類型主要有Ca2+-HCO3-，Na+-SO42-，Ca2+-SO42-，Na+-Cl-四種類型。大部分水樣都屬于Ca2+-HCO3-型，占總水樣的78.6%；Na+-SO42-型占總水樣的10.7%；Ca2+-SO42-型占總水樣的7.1%；Na+-Cl-型占總水樣的3.6%。

3) 聚類分析的結(jié)果表明瑪納斯河流域地表水特征具有明顯的空間分異性。同屬Ca2+-HCO3-型的水樣，從中游到下游Cl-和Na+有增加的趨勢(shì)，顯示出由于水體蒸發(fā)等因素造成水化學(xué)組成的空間分異性。另外同屬Ca2+-HCO3-型水樣中，部分屬于中游的水樣與屬于下游的水樣具有相同的離子組合特征，表明這部分中游水樣受到灌溉洗鹽水的影響較大。而其他類型水樣具有明顯不同于Ca2+-HCO3-型水樣的離子組合特征，究其原因主要是由于瑪納斯河流域部分地區(qū)受到種植灌溉等因素的影響，使得土壤中的部分鹽分離子被淋洗掉而進(jìn)入水體中，從而增加了水體中的鹽分離子含量，再加之瑪納斯河流域中下游地區(qū)的蒸發(fā)差異，最終導(dǎo)致部分水樣水化學(xué)組成的差異。

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The Water Chemical Characteristics and Its Influence Factors in Middle and Lower Reaches of Manasi River Basin

XIA Meng1, MA Long2, JILILI·Abuduwaili2

(1.CollegeofResourceandEnvironmentSciences,XinjiangUniversity,Urumqi830046,China; 2.StateKeyLaboratoryofDesertandOasisEcology,XinjiangInstituteofEcologyandGeography,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China)

Hydrochemical investigations of 28 surface water samples were conducted in middle and lower reaches of Manas River Basin. In this study, hierarchical clustering method and PIPER diagram were used to anayze the hydrochemical characteristics and its influence factors. The result shows that: 1) the pH of water samples in the study area has little difference, but the differences in total dissolved solids (TDS) and major-ion (Mg2+, Ca2+, Na+, K+, SO42-, HCO3-and Cl-) composition were obviously signifcant. In this study area, the fresh water and high salinity water distribute here. The order of the average concentrations of major cations in Manas River Basin is Na+>Ca2+>Mg2+>K+, and the sequence of concentrations for major anions is SO42->Cl->HCO3-. The coefficients of variation of K+and HCO3-are relative small in water samples, otherwise, the ions (Cl-and Na+) have the biggest values among the seven major ions; 2) the surface water of the Manas River Basin belongs to four hydrochemical types (Ca2+-HCO3-, Na+-SO42-, Ca2+-SO42-, Na+-Cl-). The Ca2+-HCO3-type accounts for 78.6% of the total samples, however, there are three water samples with Na+-SO42-type, two samples with Ca2+-SO42-type, and only one sample with Na+-Cl-type in this area. The result of hierarchical clustering analysis showed that chemical characteristics in surface water had obvious spatial variability. Overall, the changes of hydrochemical characteristics of Manas River Basin are mainly due to spatial differences of water evaporation and soil salinity leaching into surface water bodies, which induced the differences in hydrochemical types of surface waters.

hydrology; hydrochemical characteristics; influencing factors; hierarchical cluster analysis; Manas River

2014-06-08

2014-07-24

中國(guó)科學(xué)院西部之光(XBBS201106)；國(guó)家自然科學(xué)基金(41471173)

夏夢(mèng)(1990—),女(回族),新疆烏魯木齊人,碩士研究生,從事干旱區(qū)湖泊資源與環(huán)境研究。E-mail:xiamgyh@sina.com

吉力力·阿不都外力(1964—),男(維吾爾族),新疆拜城縣人,研究員,博士,主要從事地理生態(tài)學(xué)方面的研究。E-mail:jilil@ms.xjb.ac.cn

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1005-3409(2015)02-0136-05